本發(fā)明涉及精密位移測量領(lǐng)域，特別是涉及一種光譜共聚焦鏡片組件。
背景技術(shù)：
：1955年M.Minsky發(fā)明了共聚焦顯微鏡，可以非接觸地測量物體距離或位移。該原理經(jīng)過幾十年的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用。其主要原理是：一束激光經(jīng)過聚焦到一個很細的焦點照射到被測物上然后反射回去，在反射光路上的焦點處放置一個極小的孔徑光闌(俗稱針孔)，然后移動光路的軸向距離或某鏡片沿著軸向位置，來尋找信號最強的位置，該位置就是反射物和針孔同時形成焦點的位置，簡稱為共聚焦或共焦。1986年《JournalofOptics》雜志,17卷，Number6，GMolesini和FQuercioli發(fā)表的《Pseudocoloreffectsoflongitudinalchromaticaberration》文章中，描述了一種方法，在光學(xué)成像系統(tǒng)中引入受控制的軸向色差，產(chǎn)生按照單調(diào)的規(guī)則變化的波長色散，以波長編碼被測物的表面高度分布。1995年歐洲一些公司推出了商品化的產(chǎn)品。有的產(chǎn)品使用光纖來傳輸光源或反射的光纖，把鏡頭和主控制器分開。光譜共聚焦的原理如附圖1，光源1發(fā)射一個寬帶光，經(jīng)過針孔2到達透鏡4，透鏡4色散地將光線照射到被測物5，各個波長焦點在光軸上按規(guī)律分布開來。反射光再經(jīng)過透鏡4和分光裝置3經(jīng)過針孔6，照射到光譜測量部件7。只有光軸上并與被測物表面相交部位的波長的光，才能通過針孔6到達部件7，其它波長由于被針孔6阻擋無法或僅極少部分到達部件7，尋找光譜的波峰就可以確定相對位置。光譜共聚焦技術(shù)已經(jīng)在精密非接觸測量廣泛使用，特別是在亞微米領(lǐng)域、被測物表面多樣化的領(lǐng)域已經(jīng)是極少數(shù)可行方案之一。隨著世界各國越來越多專業(yè)的公司加入光譜共聚焦領(lǐng)域，該技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于生物、半導(dǎo)體、元器件、文物、精密輪廓測量、精密位移反饋、手機零件或外形測量等領(lǐng)域，并被ISO25178標(biāo)準(zhǔn)采納為極少數(shù)幾種的非接觸3D測量推薦技術(shù)之一。該技術(shù)可以向各行各業(yè)例如機械五金塑膠測量、坐標(biāo)測量、醫(yī)療掃描、太陽能、材料分析、震動測量、玻璃測量、光學(xué)元件測量、食品包裝、薄膜測量、液晶顯示或觸摸屏測量、交通能源裝備、建筑路橋、化工裝備測量、核能、航空航天等等領(lǐng)域擴展，是一項用途廣泛的基礎(chǔ)技術(shù)。然而，現(xiàn)有的光譜共聚焦鏡頭一般都需要很多個鏡片，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的是提供一種光譜共聚焦鏡片組件，結(jié)構(gòu)較簡單，易于組裝。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的光譜共聚焦鏡片組件，包括：殼體及設(shè)置于所述殼體上的透鏡組、入光孔及出光孔，該透鏡組色散地把來自于入光孔的不同波長的光分布地聚到被測物方向至少一條光軸上的不同位置，用以產(chǎn)生光譜共聚焦鏡頭功能，其特征在于，所述透鏡組由第一透鏡及第二透鏡組成，所述第一透鏡與所述第二透鏡以接力擴大色差的方式產(chǎn)生色差，且所述第一透鏡的至少一個表面為非球面，所述第一透鏡用于在擴大色差的同時減少像差。優(yōu)選地，所述第一透鏡和第二透鏡均為凸透鏡。優(yōu)選地，所述第一透鏡的兩個表面均為非球面。優(yōu)選地，所述第二透鏡的至少一個表面為非球面。優(yōu)選地，所述第一透鏡的兩個相對設(shè)置的表面的輪廓不同，所述第二透鏡的兩個相對設(shè)置的表面的輪廓均不相同。優(yōu)選地，所述第二透鏡的兩個相對設(shè)置的表面均為球面，且所述第二透鏡設(shè)置于所述殼體靠近所述被測物的一側(cè)。優(yōu)選地，第一透鏡還用于將來自于入光孔的光聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直。優(yōu)選地，所述第一透鏡與所述第二透鏡的材質(zhì)不同，且色散值不同。優(yōu)選地，所述第一透鏡及所述第二透鏡之間留有間隙，且所述間隙小于所述第一透鏡與所述第二透鏡之間直徑較大的透鏡的直徑。優(yōu)選地，被測物方向的數(shù)值孔徑大于入光孔方向的數(shù)值孔徑。上述光譜共聚焦鏡頭組件，透鏡組由第一透鏡及第二透鏡組成，所述第一透鏡與所述第二透鏡以接力擴大色差的方式產(chǎn)生色差，且所述第一透鏡的至少一個表面為非球面，所述第一透鏡用于在擴大色差的同時減少像差。本發(fā)明只需采用兩個鏡片，鏡片數(shù)量較少、易于組裝，體積較小、成本較低，且像差較小。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖示出的結(jié)構(gòu)獲得其他的附圖。圖1為光譜共聚焦的測量原理圖；圖2為本發(fā)明一實施例的光譜共聚焦鏡頭組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明另一實施例的光譜共聚焦鏡頭組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3所示的光譜共聚焦鏡頭組件的MTF曲線。附圖標(biāo)號說明：標(biāo)號名稱標(biāo)號名稱10光譜共聚焦鏡片組件100殼體101入光孔200透鏡組210第一透鏡220第二透鏡300定位件310第一定位部320第二定位部330第三定位部20被測物本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。需要說明，本發(fā)明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(tài)(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關(guān)系、運動情況等，如果該特定姿態(tài)發(fā)生改變時，則該方向性指示也相應(yīng)地隨之改變。另外，在本發(fā)明中如涉及“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的順序或數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“連接”、“固定”等應(yīng)做廣義理解，例如，“固定”可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。術(shù)語入光孔和出光孔，泛指相當(dāng)于光學(xué)小孔的結(jié)構(gòu)，例如光纖孔徑，入光孔和出光孔也可以是重合的。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。另外，本發(fā)明各個實施例之間的技術(shù)方案可以相互結(jié)合，但是必須是以本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)為基礎(chǔ)，當(dāng)技術(shù)方案的結(jié)合出現(xiàn)相互矛盾或無法實現(xiàn)時應(yīng)當(dāng)認為這種技術(shù)方案的結(jié)合不存在，也不在本發(fā)明要求的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明提出一種用于對被測物20的位移進行檢測的光譜共聚焦鏡片組件10。請參照圖2，在本發(fā)明一實施例中，光譜共聚焦鏡片組件10包括殼體100及設(shè)置于殼體100上的透鏡組200，所述殼體100上設(shè)置有入光孔101及出光孔(圖未標(biāo)，與入光孔重合)，所述入光孔101及所述出光孔位于所述透鏡組遠離所述被測物20的一側(cè)，光線從所述入光孔101射入，通過所述透鏡組200的作用，色散到被測物20上，部分反射光再次經(jīng)過所述透鏡組200的作用，返回所述出光孔。該透鏡組色散地把來自于入光孔的不同波長的光分布地聚到被測物方向一條光軸上的不同位置，用以產(chǎn)生光譜共聚焦鏡頭功能(需要說明的是，透鏡組可以產(chǎn)生全部或主要的光譜共聚焦鏡頭功能)。所述透鏡組200由兩片共光軸設(shè)置的第一透鏡210及第二透鏡220組成，所述第一透鏡210與所述第二透鏡220以接力擴大色差的方式產(chǎn)生色差，且所述第一透鏡210的至少一個表面為非球面，所述第一透鏡210用于在擴大色差的同時減少像差。在本實施例中，第一透鏡210設(shè)置于所述殼體100靠近所述入光孔101的一側(cè)，第二透鏡220設(shè)置于所述殼體100靠近被測物20的一側(cè)。當(dāng)然，在其他實施例中，第一透鏡210和第二透鏡220的位置也可以調(diào)換，即，第一透鏡210設(shè)置于所述殼體100靠近被測物20的一側(cè)，第二透鏡220設(shè)置于所述殼體100靠近所述入光孔101的一側(cè)。進一步地，除了前述在擴大色差的同時減少像差的功能外，第一透鏡還210用于將來自于入光孔的光聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直，進而為第一透鏡210增加一個兼具的功能，通過兼具功能可以減少鏡片數(shù)量。具體的，光譜共聚焦鏡片組件10還包括設(shè)置于所述殼體100上的定位件，所述透鏡組200通過所述定位件固定在所述殼體100上。請參閱圖1，定位件300包括固定設(shè)置于所述殼體100上的第一定位部310、第二定位部320及第三定位部330，所述第一透鏡210安裝在所述第一定位部310及所述第二定位部320之間，所述第二透鏡安裝在所述第二定位部320與所述第三定位部330之間。具體到本實施例中，第一定位部310通過螺合固定在所述殼體上。例如，所述第一定位部310設(shè)置有外螺紋(圖未示)，所述殼體100的對應(yīng)位置設(shè)置有與所述外螺紋匹配的內(nèi)螺紋(圖未示)，所述第一定位部310通過所述內(nèi)螺紋與所述外螺紋的配合固定在殼體100上。第一定位部310用于確定所述第一透鏡210距離入光孔101的位置。第二定位部320為環(huán)形筒結(jié)構(gòu)，用于保持第一透鏡210與第二透鏡220之間的間隙，例如，第二定位部320可拆卸地設(shè)置于殼體100內(nèi)。第三定位部330通過螺合固定在殼體100的遠離入光孔101的端部，例如，第三定位部330設(shè)置有外螺紋，殼體100的端部也設(shè)置有對應(yīng)的內(nèi)螺紋，定位部330通過螺紋可拆卸地設(shè)置在殼體100的端部。具體地，通過拆下第三定位件330，可以更換第二透鏡220，當(dāng)?shù)诙哥R220被取下后，第二定位件320也可以拆下更換，這樣，可以調(diào)整第一透鏡210及第二透鏡220之間的間隙。可以理解，光譜共聚焦測量裝置通常具有量程與測量值絕對分辨率呈近似反比的關(guān)系。用戶通常都需要根據(jù)需要來選擇一個量程段。通過更換第二透鏡220，可以使得光譜共聚焦鏡頭組件10具有多個量程段，幾個量程段共用一種第一透鏡210，通過更換第二透鏡220來改變量程段，這樣可以節(jié)約非球面批量生產(chǎn)的模具費用。請參閱圖1，所述第一透鏡210及所述第二透鏡220之間留有間隙，且所述間隙小于所述第一透鏡210與所述第二透鏡220之間直徑較大的透鏡的直徑，結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小鏡頭的長度。在本申請中，透鏡的直徑，指的是其圓面的直徑，而且第一透鏡210與第二透鏡220之間的間隙通過第二定位件320控制，與傳統(tǒng)雙膠合使用膠水的方式相比，避免了膠水的理化性質(zhì)如耐溫特性、熱膨脹系數(shù)、抗老化特性及抗潮性引發(fā)的問題，提高光譜共聚焦鏡頭組件10的可靠性。當(dāng)然，在其他實施例中，第一透鏡210與第二透鏡220也可以通過其他機械方式固定在殼體100上。需要說明的是，在本實施例中，入光孔101及出光孔為同一個，即，同時實現(xiàn)入光和出光功能，例如，使用一根光纖既作為入光孔101和出光孔。當(dāng)然，在其他實施例中，出光孔與入光孔101也可以是獨立的，即，出光孔與入光孔101設(shè)置于殼體100的不同位置。優(yōu)選的，所述第一透鏡210和第二透鏡220都是凸透鏡。進一步的，所述第一透鏡210的兩個相對設(shè)置的表面的輪廓不同，以方便優(yōu)化出最佳輪廓組合。進一步減小像差，擴大色差。在本實施例中，所述第二透鏡220的兩個相對設(shè)置的表面均為非球面，接力地擴大色差，減小像差，而且非球面的曲面輪廓較自由，為軟件優(yōu)化增加了自由度。優(yōu)選地，所述第二透鏡220的兩個相對設(shè)置的表面的輪廓均不相同，且與所述第一透鏡210的輪廓也不相同。通常地，成像光路產(chǎn)生色差是為了抵消其它鏡片的色差，為了清晰地描述產(chǎn)生色差的方向，此處使用“擴大”一詞，“擴大”的含義是產(chǎn)生色差的方向和另一片鏡片產(chǎn)生色差的方向一致，兩者疊加為比單個鏡片產(chǎn)生的色差更大的色差。為了清晰描述非球面凸透鏡大幅度地擴大色差語句中“大幅度”的含義，定義其產(chǎn)生的色差超過鏡頭總色差的15％即為“大幅度”。因為材料的色散度是有限度的，為了減少另一片鏡片產(chǎn)生色差的負荷，便于優(yōu)化，第一透鏡210產(chǎn)生的色差優(yōu)選大于25％。第一透鏡210與第二透鏡220以接力方式擴大色差，使被測物20一側(cè)最大波長和最小波長成像焦距的距離擴大。進一步的，所述第一透鏡210與所述第二透鏡220的材質(zhì)不同，且色散值不同，即，折射率不同，色散值不同，有利于光學(xué)設(shè)計軟件對光路優(yōu)化設(shè)計時使用多種折射率、色散值進行組合優(yōu)化?？梢岳斫?，鏡頭照射到被測物上會產(chǎn)生一個光斑，光斑越小測量分辨率越高。為了使共聚焦鏡片組件產(chǎn)生較小的光斑，例如，采用非對稱的設(shè)計，被測物20方向的數(shù)值孔徑被設(shè)計成明顯大于出光孔101方向的數(shù)值孔徑，這樣更容易獲得小的光斑。通常使用光纖來作為出光孔，光孔側(cè)的數(shù)值孔徑取決于光纖數(shù)值孔徑，市場上常用的光纖一般比較經(jīng)濟，這些光纖數(shù)值孔徑大多在0.1到0.22之間，被測物方向的數(shù)值孔徑被設(shè)計成大于0.3，優(yōu)選大于0.5，可以在兼顧成本的同時減小被測物的光斑。另外，被測物方向的數(shù)值孔徑較大，在測量鏡面反射時允許被測物表面相對于光軸具有較大的偏轉(zhuǎn)角，也能有效地獲得光線，提高光能利用率。具體到本實施例中，光路被測物20一側(cè)的數(shù)值孔徑大于0.3，入光孔一側(cè)的數(shù)值孔徑為0.1，這樣，某個波長入光孔的直徑成像到被測物上被大幅度減小，提高了分辨率。具體的，第一透鏡210兼具至少下列作用：一、將來自于入光孔101的光聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直。二、減少鏡頭在將來自于入光孔101的光向被測物20傳遞過程中產(chǎn)生的像差。三、擴大鏡頭的色差。四、將來自于被測物20的已經(jīng)聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直的光線向出光孔聚集到聚焦。五、減少或修正鏡頭在將來自于被測物20的反射光向出光孔傳遞的過程中產(chǎn)生的像差。而第二透鏡220則兼具至少下列作用：一、將來自于入光孔101已經(jīng)被聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直的光線向被測物20聚焦。二、減少鏡頭在將來自于第一透鏡210的光向被測物20傳遞過程中產(chǎn)生的像差。三、擴大鏡頭色差。四、將來自于被測物20的反射光向第一透鏡210聚集到準(zhǔn)直或接近準(zhǔn)直。五、減少鏡頭在將來自于被測物20的光向出光孔傳遞過程中產(chǎn)生的像差。需要說明的是，第一透鏡210與第二透鏡220均經(jīng)過軟件優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)上述功能，其具體的優(yōu)化過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，在此不再贅述。使用上述共聚焦鏡頭組件10測試時，光源發(fā)出的光經(jīng)過入光孔101后，經(jīng)過第一透鏡210及第二透鏡220色散照射到被測物20上，剛好與被測物20反射表面重合的光經(jīng)過第一透鏡210及第二透鏡220返回出光孔，而其他光由于離開焦點發(fā)散地照射在被測物20上，絕大部分返回的反射光聚集到出光孔的周圍，不能通過出光孔，通過后續(xù)一些裝置如光譜分析儀對通過出光孔的光波長進行測量分析計算，就可以解析出被測物20與共聚焦鏡頭組件10的相對位置。由于用光譜解析出位置的技術(shù)是公知的技術(shù)且不是本專利的要點，在此也不再贅述。請參閱圖3，其為本發(fā)明實施例二的共聚焦鏡頭組件10的結(jié)構(gòu)示意圖。與光譜共聚焦鏡頭組件10不同的是，第二透鏡220的兩個相對設(shè)置的表面為球面，且所述第二透鏡220設(shè)置于所述殼體100靠近所述被測物20的一側(cè)，由于球面透鏡的成本低于非球面透鏡的成本，這樣有利于降低共聚焦鏡頭組件10的成本。而且，將第二鏡頭220設(shè)置在殼體100靠近被測物20的一側(cè)，可以方便更換第二透鏡220，進而可以方便改變共聚焦鏡頭組件10的量程，即，幾個量程段可以通過改變不同的球面的第二透鏡220，共用一種非球面的第一透鏡210，這樣可以節(jié)約非球面批量生產(chǎn)的模具費用，第一透鏡210對第二透鏡220的球差起主要修正作用，在獲得低像差的同時降低成本。在本實施例中，第二透鏡220的兩個相對設(shè)置的表面的曲率半徑不同。而且，第一定位部310與殼體100為一體成型結(jié)構(gòu)，這樣，結(jié)構(gòu)更加牢固，且可以減少部件的數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。此外，第三定位部330套設(shè)在殼體100上，通過手擰可以將第三定位部330從殼體100上拆開，以方便第二透鏡220的更換。請參閱圖4，其為實施例二的光譜共聚焦鏡頭組件10的MTF曲線，MTF(Modulationtransferfunction)，即，調(diào)制傳遞函數(shù)。通過對量程為2.5mm的光譜共聚焦鏡頭組件10進行測試，其MTF曲線與光學(xué)衍射極限幾近重合，即，成像質(zhì)量可以逼近光學(xué)衍射極限。上述光譜共聚焦鏡頭組件10，透鏡組200由第一透鏡210及第二透鏡220組成，所述第一透鏡210與所述第二透鏡220以接力擴大色差的方式產(chǎn)生色差，且所述第一透鏡210的至少一個表面為非球面，所述第一透鏡用于在擴大色差的同時減少像差。本發(fā)明只需采用兩個鏡片，鏡片數(shù)量較少、易于組裝，體積較小、成本較低，且像差較小。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是在本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思下，利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變換，或增加沒有改變本發(fā)明結(jié)構(gòu)達到的基本功能的附加部件，或直接/間接運用在其他相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
均包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3